Usynlig "mørk materie" i verdensrommet tvinger galakser til å utvikle seg

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Jo lenger mysteriet med mørk materie forblir uløst, desto mer eksotiske hypoteser om dens natur dukker opp, inkludert den nyeste ideen om arven til gigantiske sorte hull fra det forrige universet.

For å vite at noe eksisterer, er det ikke nødvendig å se det. Så en gang, ifølge gravitasjonspåvirkningen på bevegelsen til Uranus, ble Neptun og Pluto oppdaget, og i dag pågår et søk etter en hypotetisk Planet X i den ytterste utkanten av solsystemet. Men hva om vi finner en slik innflytelse overalt i universet? Ta galakser, for eksempel. Det ser ut til at hvis den galaktiske skiven roterer, bør stjernenes hastighet reduseres med økende bane. Dette er for eksempel tilfellet med planetene i solsystemet: Jorden suser rundt solen med 29,8 km / s, og Pluto - med 4,7 km / s. Imidlertid viste observasjoner av Andromedatåken allerede på 1930-tallet at rotasjonshastigheten til stjernene forblir nesten konstant, uansett hvor langt i periferien de befinner seg. Denne situasjonen er typisk for galakser, og blant andre årsaker førte den til fremveksten av begrepet mørk materie.

Karneval av problemer

Det antas at vi ikke ser det direkte: dette mystiske stoffet samhandler praktisk talt ikke med vanlige partikler, inkludert det ikke sender ut eller absorberer fotoner, men vi kan legge merke til det ved gravitasjonseffekten på andre legemer. Observasjoner av bevegelsene til stjerner og gassskyer gjør det mulig å kompilere detaljerte kart over mørk materie-halo som omgir skiven til Melkeveien, og snakker om den viktige rollen den spiller i utviklingen av galakser, klynger og hele storskalaen. universets struktur. Imidlertid begynner ytterligere vanskeligheter. Hva er denne mystiske mørke materien? Hva består den av og hvilke egenskaper har partiklene?

I mange år har WIMP-er vært hovedkandidatene for denne rollen – hypotetiske partikler som ikke er i stand til å delta i andre interaksjoner enn gravitasjon. De prøver å oppdage dem både indirekte, ved produkter av sjeldne interaksjoner med vanlig materie, og direkte ved å bruke kraftige instrumenter, inkludert Large Hadron Collider. Dessverre, i begge tilfeller er det ingen resultater.

"Scenarioet der LHC bare finner Higgs-bosonet og ingenting annet har blitt kalt et 'marerittscenario' av en grunn," sier Sabine Hossenfelder, professor ved Universitetet i Frankfurt. "Det faktum at ingen tegn til ny fysikk ble funnet, tjener meg som et entydig signal: noe er galt her." Andre forskere fanget også opp dette signalet. Etter publiseringen av negative resultater av søk etter spor av mørk materie ved bruk av LHC og andre instrumenter, er interessen for alternative hypoteser om dens natur tydelig økende. Og noen av disse løsningene ser enda mer eksotiske ut enn det brasilianske karnevalet.

Utallige hull

Hva om WIMP-er ikke eksisterer? Hvis mørk materie er materie som vi ikke kan se, men vi ser effekten av dens tyngdekraft, så er de kanskje bare sorte hull? Teoretisk sett, på de tidligste stadiene av universets utvikling, kunne de ha dannet seg i enorme antall - ikke fra døde gigantiske stjerner, men som et resultat av kollapsen av supertett og varm materie som fylte gløderommet. Ett problem: så langt er det ikke funnet et eneste ursvart hull, og det er ikke kjent med sikkerhet om de noen gang har eksistert i det hele tatt. Imidlertid er det nok andre sorte hull i universet som passer for denne rollen.

Observasjoner av den fjerne romsonden Voyager 1 avslørte ingen spor av Hawking-stråling, noe som kan indikere utseendet til primordiale sorte hull av mikroskopisk størrelse. Dette utelukker imidlertid ikke at det finnes større lignende objekter. Siden 2015 har LIGO-interferometeret allerede registrert 11 gravitasjonsbølger, og 10 av dem ble forårsaket av sammenslåinger av par av sorte hull med masser på titalls solmasser. Dette i seg selv er ekstremt uventet, fordi slike objekter dannes som følge av supernovaeksplosjoner, og den avdøde stjernen mister det meste av massen sin i prosessen. Det viser seg at forløperne til de sammenslåtte hullene var stjerner av virkelig syklopiske størrelser, som ikke skulle ha blitt født i universet på lenge. Et annet problem skapes av dannelsen av binære systemer av dem. En supernovaeksplosjon er en hendelse så kraftig at ethvert nært objekt vil bli kastet langt unna. Med andre ord har LIGO oppdaget gravitasjonsbølger fra objekter, hvis utseende forblir et mysterium.

På slutten av 2018 ble slike objekter oppsøkt av astrofysikeren ved Greenwich Institute of Science and Technology Nikolai Gorkavy og nobelprisvinneren John Mather. Beregningene deres viste at sorte hull med masser av titalls solmasser godt kunne legge sammen en galaktisk glorie, som ville forbli praktisk talt usynlig for observasjon og samtidig skape alle de karakteristiske anomaliene i strukturen og bevegelsen til galakser. Det ser ut til, hvor i den fjerne periferien av galaksen kommer fra det nødvendige antallet slike store sorte hull? Tross alt blir det store flertallet av massive stjerner født og dør nærmere sentrum. Svaret Gorkavy og Mather gir er nesten utrolig: disse sorte hullene "kom ikke", i en viss forstand har de alltid eksistert, helt fra begynnelsen av universet. Dette er restene av forrige syklus i en endeløs sekvens av utvidelser og sammentrekninger av verden.

Den heltrukne linjen viser den reelle banehastigheten til stjerner og gass som kretser rundt sentrum av galaksen; prikket - forventet i fravær av påvirkning av mørk materie.

Relikvier av gjenfødelse

Generelt er ikke Big Bounce en ny modell innen kosmologi, om enn uprøvd, som eksisterer på nivå med mange andre hypoteser om utviklingen av kosmos. Det er mulig at i universets liv blir periodene med ekspansjon faktisk erstattet av sammentrekning, "det store sammenbruddet" - og en ny sprett-eksplosjon, fødselen av verden til neste generasjon. Men i den nye modellen ledes disse syklusene av sorte hull, som fungerer som både mørk materie og mørk energi - en mystisk substans eller kraft som forårsaker den akselererte utvidelsen av universet vårt.

Det antas at ved å absorbere materie og smelte sammen med hverandre, kan sorte hull akkumulere mer og mer av universets totale masse. Dette bør føre til en nedgang i ekspansjonen og deretter til sammentrekning. På den annen side, når sorte hull smelter sammen, går en betydelig del av massen deres tapt med energien til gravitasjonsbølger. Derfor vil det resulterende hullet være lettere enn summen av dets tidligere ledd (for eksempel ble den første gravitasjonsbølgen registrert av LIGO født når sorte hull på 36 og 29 solmasser smelter sammen med dannelsen av et hull med en masse på "bare " 62 solmasser). Så universet kan også miste masse, trekke seg sammen og fylles med stadig større sorte hull, inkludert et av de største - det sentrale.

Til slutt, etter en lang rekke sammenslåinger av sorte hull, når en betydelig del av massen til universet "lekker" i form av gravitasjonsbølger, vil den begynne å spre seg i alle retninger. Fra utsiden vil det se ut som en eksplosjon - Big Bang. I motsetning til det klassiske Big Rebound-bildet, skjer ikke fullstendig ødeleggelse av den forrige verden i en slik modell, og det nye universet arver direkte noen objekter fra forelderen. For det første er dette alle de samme sorte hullene, klare til å igjen spille begge hovedrollene i det - både mørk materie og mørk energi.

Flott formor

Så i dette uvanlige bildet viser mørk materie seg å være store sorte hull, som er arvet fra universet til universet. Men vi må ikke glemme det "sentrale" sorte hullet, som skulle dannes i hver slik verden på tampen av dens død og vedvare i den neste. Beregninger fra astrofysikere har vist at dens masse i vårt rom i dag kan nå utrolige 6 x 1051 kg, 1/20 av massen til all baryonisk materie, og kontinuerlig øke. Dens vekst kan føre til en stadig raskere utvidelse av rom-tid og manifestere seg som en akselererende utvidelse av universet.

Selvfølgelig bør tilstedeværelsen av en slik syklopisk masse føre til utseendet av merkbare inhomogeniteter i universets storskalastruktur. Det er allerede en kandidat for slik heterogenitet - den astronomiske ondskapens akse. Dette er relativt svake, men veldig alarmerende tegn på universets anisotropi - strukturen som manifesterer seg i den på de største skalaene og stemmer ikke på noen måte med de klassiske synene på Big Bang og alt som skjedde etter det.

Underveis løser den eksotiske hypotesen også en annen astronomisk gåte - problemet med den uventede tidlige opptredenen av supermassive sorte hull. Slike objekter er lokalisert i sentrum av store galakser og klarte på ukjent måte å få masse i millioner og til og med milliarder av solmasser allerede i løpet av de første 1-2 milliarder årene av universets eksistens. Det er uklart hvor de i prinsippet kunne finne så mye stoff, og enda mer når de kunne ha tid til å absorbere det. Men innenfor rammen av ideen med "arvede" sorte hull, er disse spørsmålene fjernet, fordi deres embryoer kunne ha kommet til oss fra det tidligere universet.

Det er synd at Gorkavys ekstravagante hypotese fortsatt bare er en hypotese. For at den skal bli en fullverdig teori, er det nødvendig at dens spådommer faller sammen med observasjonsdata – og med slike som ikke kan forklares med tradisjonelle modeller. Fremtidig forskning vil selvsagt gjøre det mulig å sammenligne de fantastiske beregningene med virkeligheten, men dette vil åpenbart ikke skje i nær fremtid. Derfor, mens spørsmålene om hvor mørk materie er skjult og hva mørk energi er, forblir ubesvart.